EP0027847B1 - Verfahren zur Regelung und Strombegrenzung eines Gleichspannungs -Sperrwandlers - Google Patents

Verfahren zur Regelung und Strombegrenzung eines Gleichspannungs -Sperrwandlers Download PDF

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EP0027847B1
EP0027847B1 EP80103259A EP80103259A EP0027847B1 EP 0027847 B1 EP0027847 B1 EP 0027847B1 EP 80103259 A EP80103259 A EP 80103259A EP 80103259 A EP80103259 A EP 80103259A EP 0027847 B1 EP0027847 B1 EP 0027847B1
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current
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regulated
comparator
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Eckhardt Grünsch
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Bosch Telecom GmbH
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ANT Nachrichtentechnik GmbH
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/22—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac
    • H02M3/24—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/28—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac
    • H02M3/325—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/335—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/33561—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having more than one ouput with independent control

Definitions

  • the invention relates to a method for regulating and limiting the current to a flyback flyback converter by means of a pulse-width-controlled electronic switch which can be ignited periodically and can be extinguished as a function of a comparator signal, a reference voltage and an evaluation signal being compared to form the comparator signal, and the evaluation signal from the Sum of a signal for the output variable to be controlled and a signal which is supplied by a current transformer which transforms the total current via the electronic switch.
  • a pulse-width-controlled electronic switch which can be ignited periodically and can be extinguished as a function of a comparator signal, a reference voltage and an evaluation signal being compared to form the comparator signal, and the evaluation signal from the Sum of a signal for the output variable to be controlled and a signal which is supplied by a current transformer which transforms the total current via the electronic switch.
  • a current transformer which transforms the total current via the electronic switch.
  • Current limiter circuits for switched power supply devices are known which measure the currents to be monitored by means of measuring resistors or current transformers and switch off the electronic switch when a certain value is exceeded. A DC voltage proportional to the current to be monitored is generated, which is compared with a reference sawtooth signal.
  • this type of current limitation fails if the lead time of the electronic switch is to be less than its storage time. Since this is not possible with switching transistors with feedback, the collector current can rise in an uncontrolled manner.
  • German patent application P 2 920 166.9 in which a voltage proportional to the collector current of the switching transistor is superimposed on a sawtooth voltage and a reference voltage and is fed to a comparator for controlling the duty cycle of the switching transistor.
  • the disadvantage of this arrangement is the high amount of circuitry required by the sawtooth generator.
  • the object of the invention is to provide a method of the type mentioned at the outset which does not require any sawtooth reference voltages and which has improved dynamic behavior.
  • this object is achieved in that a DC voltage value, which is proportional to the peak value of the total current via the electronic switch and is obtained by peak integration of the current transformer output signal, serves as the signal for the output variable to be controlled.
  • Claim 2 specifies an advantageous development of the method according to the invention.
  • the advantages of the invention are that an uncontrolled increase in the current through the electronic switch is avoided after the storage time has been reached, and that a comparative sawtooth voltage is not required since the comparator receives a defined switching signal by supplying a voltage proportional to the total current via the electronic switch .
  • FIG. 1 shows a basic circuit arrangement for the method according to the invention.
  • the evaluation unit 1 consisting of the current transformer 10 and a diode arrangement as described in DE-A1-2 715 571, is followed by the voltage divider formed from the resistors R 1 and R2, the peak value integration circuit 2 and the load current evaluation circuit 3.
  • the comparator 4 compares the signal obtained from the load current evaluation circuit 3 and the evaluation unit 1 with a reference voltage Uref and supplies the control unit 5 with a signal.
  • the control unit 5 thereby controls the electronic switch 6, which is in the circuit of the input voltage source 7 and the primary winding 8 of a current transformer 10 and the transformer part 9.
  • the converter part 9 can be designed as a flyback converter with or without electrical isolation with one or more load circuits.
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of a single-ended flyback converter with two load circuits.
  • the periodically flowing collector current J e of the switching transistor 6 is transformed with the aid of the current transformer 10 and generates a voltage proportional to J e at the resistors R 1 and R2, R2 being dimensioned such that the voltage at R1 is very much greater than that at R2 is.
  • the capacitor 11 When the collector current is limited and regulated, the capacitor 11 is charged approximately to the peak value of the voltage across the resistor R1 via the diode 12, so that the direct voltage on the capacitor 11 is proportional to the peak collector current J e of the switching transistor 6.
  • the comparator 4 receives its switching signal by additive superimposition of the DC voltage on the capacitor 11 and the voltage formed on R2 and proportional to the total collector current. If the total voltage supplied to the comparator exceeds the value of the reference voltage Uref also supplied to the comparator 4, the latter switches through and blocks the switching transistor 6 via the control unit 5. Since there is no longer any collector current J e , there is no voltage at the resistor R2. This means that the comparator switches back to its original position. Via a control logic of the control unit 5, the switching transistor 6 is kept blocked until the next switching period. Due to the peak value integration of the capacitor 11, the storage times of the switching transistor 6 do not limit the usable control range.
  • the capacitor 11 When the load current is limited and regulated, the capacitor 11 is charged to the voltage which is proportional to the highest of the charge currents JL1, JL2, ... JLn.
  • the load current evaluation itself can be done arbitrarily.
  • the principle of German patent application P 2 921 928.1 is used in the example given.
  • the comparator 4 is supplied with the load current limitation and control, the sum of the rectified peak voltage present at the capacitor 11, which is proportional to the highest of the load currents, and the voltage proportional to the collector current at R2.
  • the operation of the comparator 4 is the same as in the collector current limitation and control described above.
  • a high-resistance resistor R3 is connected in parallel.
  • the resistor R1 is dimensioned so that at maximum output power, i.e. all load currents are close to the response value of the current limitation, the collector current limitation and regulation does not respond.
  • the collector current limitation and control starts when an error occurs that cannot be detected by the load current limitation and control.
  • Such an error can e.g. a short circuit on a secondary winding of the power transformer 17 of the converter part 9. This means that even in the event of faults that cannot be detected by the load current limitation and regulation, the switching transistor 6 is not destroyed.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung und Strombegrenzung eines Gleicgspannungs-Sperrwandlers mittels eines impulsbreitengesteuerten elektronischen Schalters, der fremdgesteuert periodisch zündbar und in Abhängigkeit von einem Komparatorsignal löschbar ist, wobei zur Bildung des Komparatorsignales eine Referenzspannung und ein Auswertesignal verglichen werden und wobei das Auswertesignal aus der Summe eines Signales für die zu regelnde Ausgangsgrösse und eines Signales, das von einem Stromwandler geliefert wird, der den Gesamtstrom über den elektronischen Schalter transformiert, gebildet ist. Ein derartiges Verfahren istbekanntausderDE-At-2 715 571. Dort dient als zu regelnde Ausgangsgrösse die Verbraucher-Gleichspannung.
  • Es sind Strombegrenzerschaltungen für geschaltete Stromversorgungsgeräte bekannt, die die zu überwachenden Ströme mittels Messwiderstand oder Stromwandler messen und beim Überschreiten eines bestimmten Wertes den elektronischen Schalter abschalten. Hierbei wird eine dem zu überwachenden Strom proportionale Gleichspannung erzeugt, die mit einem Referenzsägezahnsignal verglichen wird.
  • Diese Art der Strombegrenzung versagt jedoch, wenn die Leitzeit des elektronischen Schalters kleiner als dessen Speicherzeit werden soll. Da dies bei Schalttransistoren mit Rückkopplung nicht möglich ist, kann der Kollektorstrom unkontrolliert ansteigen.
  • Des weiteren ist eine Schaltung in der deutschen Patentanmeldung P 2 920 166.9 beschrieben, bei der eine zum Kollektorstrom des Schalttransistors proportionale Spannung einer Sägezahnspannung und einer Referenzspannung überlagert und einem Komparator zugeführt wird zur Steuerung des Tastverhältnisses des Schalttransistors. Der Nachteil dieser Anordnung ist der hohe Schaltungsaufwand gegeben durch den Sägezahngenerator.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren eingangs genannter Art anzugeben, das keine Sägezahnvergleichsspannungen benötigt und ein verbessertes dynamisches Verhalten besitzt.
  • Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass als Signal für die zu regelnde Ausgangsgrösse ein dem Scheitelwert des Gesamtstromes über den elektronischen Schalter proportionaler Gleichspannungswert dient, der durch Spitzenintegration des Stromwandlerausgangssignals erhalten wird.
  • Anspruch 2 gibt eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemässen Verfahrens an.
  • Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass ein unkontrolliertes Ansteigen des Stromes durch den elektronischen Schalter nach Erreichen der Speicherzeit vermieden wird, und dass eine Vergleichssägezahnspannung nicht benötigt wird, da der Komparator durch Zuführen einer zum Gesamtstrom über den elektronischen Schalter proportionalen Spannung ein definiertes Schaltsignal erhält.
  • Anhand der Beschreibung und der Zeichnungen wird die Erfindung näher erläutert. Dabei zeigt
    • Fig. 1 ein Blockschaltbild für die Strombegrenzung und -regelung,
    • Fig. 2 ein Schaltungsbeispiel für einen Eintakt-Sperrwandler.
  • In Fig. 1 ist eine prinzipielle Schaltungsanordnung zu dem erfindungsgemässen Verfahren angegeben.
  • Der Auswerteeinheit 1, bestehend aus dem Stromwandler 10 und einer Diodenanordnung, wie sie in derDE-A1-2 715 571 beschrieben ist, schliesstsich der aus den Widerständen R 1 und R2 gebildete Spannungsteiler, die Spitzenwertintegrationsschaltung 2 und die Laststromauswerteschaltung 3 an. Der Komparator 4 vergleicht das aus der Laststromauswerteschaltung 3 und der Auswerteeinheit 1 gewonnene Signal mit einer Referenzspannung Uref und führt der Ansteuereinheit 5 ein Signal zu. Die Ansteuereinheit 5 steuert dadurch den elektronischen Schalter 6, der im Stromkreis der Eingangsspannungsquelle 7 und der Primärwicklung 8 eines Stromwandlers 10 sowie des Wandlersteils 9 liegt. Das Wandlerteil 9 kann als Sperrwandler mit oder ohne galvanischer Trennung mit einem oder mehreren Laststromkreisen ausgebildet sein.
  • Fig. 2 zeigt als Ausführungsbeispiel einen Eintakt-Sperrwandler mit zwei Laststromkreisen. Der periodisch fliessende Kollektorstrom Je des Schalttransistors 6 wird mit Hilfe des Stromwandlers 10 transformiert und erzeugt an den Widerständen R 1 und R2 eine zu Je proportionale Spannung, wobei R2 so dimensioniert ist, dass die Spannung an R1 sehr viel grösser als jene an R2 ist.
  • Bei der Kollektorstrombegrenzung und -regelung wird über die Diode 12 der Kondensator 11 annähernd auf den Spitzenwert der Spannung am Widerstand R1 aufgeladen, so dass die Gleichspannung am Kondensator 11 proportional dem Kollektorspitzenstrom Je des Schalttransistors 6 ist. Durch additive Überlagerung der Gleichspannung am Kondensator 11 und der an R2 gebildeten, dem Gesamtkollektorstrom proportionalen Spannung erhält der Komparator 4 sein Schaltsignal. Übersteigt die dem Komparator zugeführte Summenspannung den Wert der dem Komparator 4 ebenfalls zugeführten Referenzspannung Uref, so schaltet dieser durch und sperrt über die Ansteuereinheit 5 den Schalttransistor 6. Da jetzt kein Kollektorstrom Je mehr fliesst, steht am Widerstand R2 keine Spannung mehr an. Dies bedeutet, dass der Komparator in seine ursprüngliche Lage zurückschaltet. Über eine Ansteuerlogik der Ansteuereinheit 5 wird der Schalttransistor 6 bis zur nächsten Schaltperiode gesperrt gehalten. Durch die Spitzenwertintegration des Kondensators 11 begrenzen die Speicherzeiten des Schalttransistors 6 nicht den ausnutzbaren Regelbereich.
  • Bei der Laststrombegrenzung und -regelung wird der Kondensator 11 auf die Spannung aufgeladen, die dem höchsten der Ladeströme JL1, JL2, ... JLn proportional ist. Die Laststromauswertung selbst kann beliebig erfolgen. Beim ausgeführten Beispiel wird das Prinzip der deutschen Patentanmeldung P 2 921 928.1 angewendet. An den Sekundärwicklungen der Übertrager 13 und 14 entstehen zu den jeweiligen Lastströmen proportionale Spannungen, die über die Dioden 15 und 16 den Kondensator 11 aufladen und zwar so, dass die Kondensatorspannung zum jeweils höchsten der auftretenden Lastströme proportional ist. Dem Komparator 4 wird bei der Laststrombegrenzung und -regelung die Summe aus der am Kondensator 11 anstehenden, zum höchsten der Lastströme proportionalen gleichgerichteten Spitzenspannung und der an R2 zum Kollektorstrom proportionalen Spannung zugeführt. Die Funktionsweise des Komparators 4 ist die gleiche wie bei der zuvor beschriebenen Kollektorstrombegrenzung und -regelung.
  • Zur Entladung des Kondensators 11 ist ihm ein hochohmiger Widerstand R3 parallelgeschaltet. Der Widerstand R1 ist so dimensioniert, dass bei maximaler Ausgangsleistung, d.h. alle Lastströme befinden sich dicht vor dem Ansprechwert der Strombegrenzung, die Kollektorstrombegrenzung und -regelung nicht anspricht.
  • Die Kollektorstrombegrenzung und -regelung setzt dann ein, wenn ein Fehlerfall auftritt, der durch die Laststrombegrenzung und -regelung nicht erfasst werden kann. Ein solcher Fehlerfall kann z.B. ein Kurzschluss an einer Sekundärwicklung des Leistungsübertragers 17 des Wandlerteils 9 sein. Dies bedeutet, dass auch bei Fehlerfällen, die durch die Laststrombegrenzung und -regelung nicht erfasst werden können, der Schalttransistor 6 nicht zerstört wird.
  • Ausser der Möglichkeit, beliebig viele Lastströme JL1, JL2, ... JLn zu begrenzen bzw. zu regeln, ist durch die gleichzeitige Überwachung des Kollektorstromes ein umfassender Schutz des Schalttransistors 6 gewährleistet.

Claims (2)

1. Verfahren zur Regelung und Strombegrenzung eines Gleichspannungs-Sperrwandlers mittels eines impulsbreitengesteuerten elektronischen Schalters (6), der fremdgesteuert periodisch zündbar und in Abhängigkeit von einem Komparatorsignal löschbar ist, wobei zur Bildung des Komparatorsignales eine Referenzspannung (Uref) und ein Auswertesignal verglichen werden und wobei das Auswertesignal aus der Summe eines Signales für die zu regelnde Ausgangsgrösse und eines Signales, das von einem Stromwandler (10) geliefert wird, der den Gesamtstrom über den elektronischen Schalter transformiert, gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass als Signal für die regelnde Ausgangsgrösse ein dem Scheitelwert des Gesamtstromes über den elektronischen Schalter (6) proportionaler Gleichspannungswert dient, der durch Spitzenintegration des Stromwandlerausgangssignals erhalten wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als zusätzliches Signal für die zu regelnde Ausgangsgrösse ein zum Scheitelwert eines der Lastströme proportionaler Gleichspannungswert dient.
EP80103259A 1979-09-24 1980-06-12 Verfahren zur Regelung und Strombegrenzung eines Gleichspannungs -Sperrwandlers Expired EP0027847B1 (de)

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